JP2014190800A - Three-dimensional measuring method and three-dimensional measuring system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定対象までの距離を計測することで測定対象の3次元形状を計測する3次元計測方式および3次元計測装置に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional measurement method and a three-dimensional measurement apparatus that measure a three-dimensional shape of a measurement target by measuring a distance to the measurement target.
測定対象からのエネルギーを観測することで、そのエネルギーの伝達経路上での、観測点(以下では「測定基準点」と呼ぶ)から測定対象までの距離を計測する方法がある。例えば、Time of Flight法では、光パルスまたは音波パルスを測定対象に当て、反射して帰ってくるまでの時間を計測して距離を求める。また、共焦点法、Shape from Focus法、Shape from Defocus法等の合焦法では光軸方向に測定対象までの距離を変化させて、測定対象の像の合焦点を探索することで距離を求める。さらに、特許文献1のOCT(Optical Coherence Tomography)のように断層画像を観測可能な計測方法も、断層内境界面への距離を計測していることに相当する。
There is a method of measuring the distance from an observation point (hereinafter referred to as “measurement reference point”) to the measurement target on the energy transmission path by observing the energy from the measurement target. For example, in the Time of Flight method, a light pulse or a sound wave pulse is applied to a measurement object, and the time until the light returns after being reflected is obtained. Also, in the focusing methods such as confocal method, Shape from Focus method, Shape from Defocus method, etc., the distance to the measurement object is changed in the optical axis direction, and the distance is obtained by searching the focal point of the image of the measurement object. . Furthermore, a measurement method capable of observing a tomographic image, such as OCT (Optical Coherence Tomography) of
上記のエネルギー伝達経路は測定基準点を始点とする線分(以下では「計測線分」と呼ぶ)となるが、この線分式が既知ならば計測された距離を3次元座標値に変換することができる。このような2点間の距離計測を測定対象全体にわたって2次元的に実施すれば、測定対象の形状を表す3次元点群が得られる。 The energy transmission path is a line segment starting from the measurement reference point (hereinafter referred to as “measurement line segment”). If this line segment formula is known, the measured distance is converted into a three-dimensional coordinate value. be able to. If such a distance measurement between two points is performed two-dimensionally over the entire measurement object, a three-dimensional point group representing the shape of the measurement object can be obtained.
計測線分は、温度等の環境変化、経年変化等により動的に変化する。よって、3次元計測の精度を保証するためには、計測線分式を更新する「校正」を定期的に実施する必要がある。 The measurement line segment dynamically changes due to environmental changes such as temperature, aging, and the like. Therefore, in order to guarantee the accuracy of the three-dimensional measurement, it is necessary to periodically perform “calibration” for updating the measurement line segment formula.
図2により、従来の3次元計測方法およびその校正方法を説明する。 A conventional three-dimensional measurement method and its calibration method will be described with reference to FIG.
3次元計測方法10aは、測定基準点83を始点とし、方向ベクトル84に延びる計測線分81上で、測定対象の歯11までの距離(計測距離62)を計測する機能をもつ。3次元計測方法10aは、(式1)の計測線分式と計測距離の距離変換比率82を用いて、計測距離62を測定点63の3次元計測座標64に変換する。
The three-
測定基準点83は、2次元的に広がりを持った領域(以下では基準曲面290と呼ぶ)に分布して多数存在し(図2ではI×J個)、対応する計測線分群で計測した3次元座標を集めると、測定対象11の3次元形状を表す3次元点群13となる。
A large number of
3次元計測方法10aは、測定対象11の3次元座標13を計測する計測処理20と、校正パラメータ80を更新する校正処理50aと、校正処理50aへの入力である計測データ60aを取得するデータ取得処理30aからなる。
The three-
計測処理20では、まず距離計測ステップ21において、測定対象11までの距離(計測距離23)を計測する。次に3次元座標算出ステップ22において、(式2)に示すように校正パラメータ80を用いて計測距離23を対応する3次元座標13に変換する。
In the
データ取得処理30aでは、まずZステージ15aを用いて平面12aをZ方向に移動する(ステップ31a)。次に、平面12aと計測線分81との交点の3次元座標(測定点の計測座標64)を、撮像素子の画素位置と、Zステージ15aのステージ位置により決定する(ステップ32a)。そして、平面12aまでの計測距離62を計測する(ステップ33)。以上のステップ31a〜ステップ33を繰り返して、複数の測定点63に対する計測データ60aを取得する。
In the
校正処理50aは、複数の測定点の計測座標64と計測距離62を用いて、(式3)により距離変換比率82を同定する(ステップ51a)。
The
しかしながら、前記従来の3次元計測方法10aでは、校正処理50aで同定される校正パラメータ80の精度が、(式3)と(式4)により測定点63の3次元計測座標64の計測精度に直接依存する。よって、高い校正精度を実現するためには、解像度の高い撮像素子12aを正確に位置決めできるZステージ15aで移動させる必要がある。このため従来の校正方法は共焦点レーザー顕微鏡等の元々可動ステージを有する装置には適している。
However, in the conventional three-
しかし、口腔内3次元スキャナ(ODS: Oral Direct Scanner)のような3次元ハンドスキャナは通常動作時に可動ステージを必要としないので、従来方法で校正するためには、別途ステージを設ける必要が生じ、装置構成を複雑化する。また、従来方法ではZステージの正確な位置決めが必要であるので、Zステージに自動移動機構を設けるか、ユーザ操作により移動させることになり、装置構成を複雑化するか、ユーザ操作を複雑化する。すなわち、従来の3次元計測方法および3次元計測装置は、校正のための構成およびユーザ操作が複雑化するという課題を有していた。 However, since a 3D hand scanner such as an intraoral 3D scanner (ODS: Oral Direct Scanner) does not require a movable stage during normal operation, it is necessary to provide a separate stage for calibration using the conventional method. The device configuration is complicated. In addition, since the conventional method requires accurate positioning of the Z stage, an automatic movement mechanism is provided on the Z stage or moved by a user operation, which complicates the apparatus configuration or complicates the user operation. . That is, the conventional three-dimensional measurement method and three-dimensional measurement apparatus have a problem that the configuration for calibration and the user operation are complicated.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、簡単な構成/操作で校正を実行できる3次元計測方法および3次元計測装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a three-dimensional measurement method and a three-dimensional measurement apparatus capable of executing calibration with a simple configuration / operation.
前記従来の課題を解決するために、本発明の3次元計測方法は、測定基準点を始点とする計測線分上で測定対象までの距離を計測するステップと、所定の3次元座標系における前記計測線分を表す線分式と、前記3次元座標系における計測距離の変換比率を用いて、前記距離から測定対象の三次元座標を算出するステップを有する3次元計測方法であって、位置が平面方程式として表された、複数の平面までの、前記計測線分上での第1の距離を計測する第1のステップと、前記平面方程式、前記線分式および前記換比率を用いて、前記第1の距離に対する推定値を算出する第2のステップと、前記第1の距離と前記推定値の差分情報に基づいて、前記線分式と前記変換比率を更新する第3のステップと、前記線分式と前記変換比率の更新を終了すべきか判断する第4のステップを有し、前記第4のステップで終了と判断されるまで前記第2のステップ、前記第3のステップおよび前記第4のステップを繰返すことを特徴としたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the three-dimensional measurement method of the present invention includes a step of measuring a distance to a measurement target on a measurement line segment starting from a measurement reference point, and the predetermined three-dimensional coordinate system. A three-dimensional measurement method including a step of calculating a three-dimensional coordinate of a measurement object from the distance using a line segment expression representing a measurement line segment and a conversion ratio of a measurement distance in the three-dimensional coordinate system, A first step of measuring a first distance on the measurement line segment to a plurality of planes expressed as a plane equation, and using the plane equation, the line segment formula, and the conversion ratio, A second step of calculating an estimated value for the first distance; a third step of updating the line segment formula and the conversion ratio based on difference information between the first distance and the estimated value; Update the line segment formula and the conversion ratio A fourth step for determining whether or not to end, and repeating the second step, the third step, and the fourth step until it is determined in the fourth step to end It is.
また、本発明の3次元計測装置は、測定基準点を始点とする計測線分上で測定対象までの距離を計測する計測部と、所定の3次元座標系における前記計測線分を表す線分式と、前記3次元座標系における計測距離の変換比率を用いて、前記距離から測定対象の三次元座標を算出する座標算出部を有する3次元計測装置であって、位置が平面方程式として表された、複数の平面までの、前記計測線分上での第1の距離を計測する平面距離計測部と、前記平面方程式、前記線分式および前記換比率を用いて、前記第1の距離に対する推定値を算出する距離推定部と、前記第1の距離と前記推定値の差分情報に基づいて、前記線分式と前記変換比率を更新するパラメータ更新部と、前記線分式と前記変換比率の更新を終了すべきか判断する校正終了判定部を有し、前記校正終了判定部で終了と判断されるまで前記距離推定部、前記パラメータ更新部および前記校正終了判定部での処理を繰返すことを特徴としたものである。 In addition, the three-dimensional measurement apparatus of the present invention includes a measurement unit that measures a distance to a measurement target on a measurement line segment starting from a measurement reference point, and a line segment that represents the measurement line segment in a predetermined three-dimensional coordinate system. A three-dimensional measurement apparatus having a coordinate calculation unit that calculates a three-dimensional coordinate of a measurement target from the distance using an equation and a conversion ratio of a measurement distance in the three-dimensional coordinate system, where the position is expressed as a plane equation In addition, a plane distance measuring unit that measures a first distance on the measurement line segment to a plurality of planes, and the plane equation, the line segment formula, and the conversion ratio are used for the first distance. A distance estimating unit that calculates an estimated value; a parameter updating unit that updates the line segment formula and the conversion ratio based on difference information between the first distance and the estimated value; and the line segment formula and the conversion ratio. End of calibration to determine whether renewal should end Has a tough, said distance estimation unit until it is determined to be terminated in the calibration end determining unit, in which is characterized by repeating the processing in the parameter updating unit and the calibrating end determining unit.
発明による3次元計測方法では、校正時に必要な位置情報が計測対象平面の平面方程式のみであるので、従来の測定点の3次元座標に基づく校正法よりも校正のための計測ステップを簡略化できる。 In the three-dimensional measurement method according to the present invention, the positional information necessary for calibration is only the plane equation of the measurement target plane, and therefore the measurement step for calibration can be simplified as compared with the conventional calibration method based on the three-dimensional coordinates of the measurement point. .
また発明による3次元計測装置では、校正時に必要な位置情報が計測対象平面の平面方程式のみであるので、従来の測定点の3次元座標に基づく校正を実装した装置よりも校正のための機構を簡略化できる。 In the three-dimensional measuring apparatus according to the invention, since the position information necessary for calibration is only the plane equation of the measurement target plane, a mechanism for calibration is provided rather than a conventional apparatus that implements calibration based on the three-dimensional coordinates of the measurement point. It can be simplified.
以下に、本発明の3次元計測方法および3次元計測装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。 Embodiments of a three-dimensional measurement method and a three-dimensional measurement apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図4は、本発明の第1の実施の形態におけるOCT−ODS(Oral Direct Scanner)装置の概要を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 4 shows an outline of an OCT-ODS (Oral Direct Scanner) apparatus according to the first embodiment of the present invention.
OCT−ODS装置100は、歯科医等の検査者(以下ではユーザと呼ぶ)が手でプローブ230を患者口腔内に挿入して、歯11の3次元形状を計測する装置である。計測は、プローブ230先端の計測用ヘッド235を歯11の計測対象部分に位置決めし、計測スイッチ239を押すことで実行される。計測結果は、本体101で処理されて、表示部304上に3次元座標13の群として出力される。
The OCT-
図5に基づいて、OCT−ODS装置100の構成について説明する。
The configuration of the OCT-
OCT−ODS装置100は、距離計測部200、座標計測部300、平面同定部400および校正処理部500の4つの機能ブロックと、計測データメモリ1(130)、計測データメモリ2(131)、平面情報メモリ140および校正パラメータメモリ150の4つのメモリをもつ。各機能ブロックおよびその構成要素は、制御バス120を介して制御部110により動作を制御される。
The OCT-
距離計測部200は、計測スイッチ239をトリッガとして測定対象の歯11にビーム状の測定光17を照射し、その戻り光を観測することで測定対象の歯11までの計測距離群を計測する。測定光17は、波長掃引光源210で発した光線をビームスプリッタ220で測定光17と参照光18に分けることで生成され、プローブ230を介して測定対象の歯11に照射される。測定対象の歯11からの戻り光は、プローブ230を介して干渉部250に達し、ここで参照ミラー240を経由した参照光18と干渉し、干渉光19を生じる。この干渉光19の強度を受光部260で検出し、その検出結果を信号処理部270と界面検出280でデータ処理することで、測定対象の歯11までの距離を計測する。このデータ処理の詳細は後述する。
The
測定光17はプローブ内の光走査部231で2次元的に走査されるので、測定対象の歯11の表面領域全体にわたって前記の距離計測が実施される。
Since the
距離計測部200は、距離の計測と同時に、プローブ内のカメラ部237で測定対象の歯11からの可視光48を観測して、測定対象の2次元画像も生成する。
At the same time as the distance measurement, the
OCT−ODS装置100は、プローブ230の先端部に計測用ヘッド235が装備されている時は測定対象の歯11の計測処理を実行するが、校正用ヘッド236が装備されると幾何学的な校正処理を実行する。この計測モードと校正モードの間のモード切替は、ヘッドセンサ238が装備されているヘッドの種類を検出してそれを制御部110へ通知し、それを受けて制御部110が現在のヘッド種別に基づいて距離計測部200からの出力(計測距離群と測定対象の2次元画像)の行き先を、データフロー切り替えスイッチ160,170によって切り換えることで実現される。
The OCT-
計測モード時は、図5に示すように、距離計測部200からの計測距離群と測定対象の2次元画像は共に座標計測部300へ渡される。計測された計測距離23の群は、3次元座標算出301によりを校正パラメータメモリ内の距離変換比率82と計測線分81に基づいて3次元座標13の群に変換され、その3次元座標13の群は点群描画302により表示部304に描画される。また、入力された測定対象の2次元画像は、プレビュー画面描画303により表示部304に表示される。
In the measurement mode, as shown in FIG. 5, the measurement distance group from the
校正モード時は、距離計測部200からの出力はメモリに保存される。すなわち、計測距離群は計測データメモリ2(131)へ、測定対象の2次元画像は計測データメモリ1(130)へ保存される。
In the calibration mode, the output from the
校正モード時の測定対象は校正用ヘッド236に取り付けられている平面12である。平面12は校正用ヘッド236の螺旋状の溝(以下では平面移動部15と呼ぶ)を介して傾斜して取り付けられているので、平面12を回すことにより、校正用ヘッド236との距離と傾きを変えることができる。そこで、ユーザが平面12のチャートを適当に回して、計測スイッチ239を押していくことで、異なる位置の平面12に対する2次元画像61と計測距離62の群が、計測データメモリ1(130)と計測データメモリ2(131)にそれぞれ保存される。
The measurement target in the calibration mode is the
その後、校正用ヘッド236が取り外されて計測用ヘッド235が取り付けられると、制御部110は平面同定部400と校正処理部500を活性化する。平面同定部400は計測データメモリ1(130)内の平面の2次元画像61の群に基づいて平面12の位置を表す平面方程式72の群を同定し、校正処理部500に渡す。校正処理部500は、渡された平面方程式72の群と、計測データメモリ2(131)内の計測距離62の群に基づいて、校正パラメータメモリ150内の距離変換比率82と計測線分81を更新する。
Thereafter, when the
校正モード時のデータフローの詳細を図6に基づいて説明する。 Details of the data flow in the calibration mode will be described with reference to FIG.
3次元座標13を特定するためには、3次元座標系を導入する必要がある。ここでは、カメラ部237のカメラ座標系を3次元座標系14とする。
In order to specify the three-dimensional coordinate 13, it is necessary to introduce a three-dimensional coordinate system. Here, the camera coordinate system of the
波長掃引光源210は、発するビーム光の発光周波数を時間的に変化させる。ビーム光の発光周波数は、図6に示すようにノコギリ波形状に周期的に変化を繰り返し、この1周期(Aスキャン期間と呼ぶ)が1つの計測線分81での計測時間に相当する。
The wavelength swept
波長掃引光源210の発したビーム光はビームスプリッタ220で測定光17と参照光に分けられる。測定光17は光走査部231を経由して平面12に入射し、拡散反射されて逆の経路をたどって干渉部250に戻ってくる。参照光18は参照ミラーで反射されて干渉部250に達する。
The beam light emitted from the wavelength swept
光走査部231は、測定光17の照射先を2次元的に走査するために、1次独立な2方向(Bスキャン方向291、Cスキャン方向292)に走査する2つのスキャニングミラー(Bスキャンミラー232、Cスキャンミラー233)をもつ。スキャニングミラーで振られた測定光はレンズ234により向きが整えられる。Bスキャンミラー232により、Bスキャン方向291にJ個の走査点が作られる。各走査点には少なくとも前記のAスキャン期間は留まる。Cスキャンミラー233はCスキャン方向292にI個の走査点を作るが、各走査点にはBスキャン方向291の1ライン分の走査が完了するまで留まる。これにより2次元面(例えば基準曲面290)上にI×J個の走査点を均等に配分できる。
The
干渉部250では測定光17と参照光18を干渉して干渉光19を生成し、受光部260でその強度が計測される。この干渉光強度を信号処理部270でフーリエ変換して、断層画像600が生成される。
The
断層画像600は、Bスキャン方向を横軸とし、干渉光周波数を縦軸とする空間における干渉光強度の分布を表す2次元スカラー場である。特許文献1で説明されているように、干渉光周波数は、測定光17と参照光18の光路長差と線形な関係がある。
The
そこで、測定光17の光路上で参照光18の光路長と等しい点を測定基準点83とすると、測定光17の光線方向(以下では方向ベクトル84と呼ぶ)への測定基準点83から平面12までの距離(以下での補正計測距離と呼ぶ)が、断層画像600の縦軸(すなわち干渉光周波数)と線形な関係にある。この線形係数を距離変換比率82とし、干渉光周波数を計測距離62とする。
Therefore, if a point on the optical path of the
断層画像600では、平面12の表面に相当する干渉光周波数で強度が最高となり、平面内部にいくほど散乱・吸収等により減衰し強度が低下する。そこで、界面検出280では断層画像600における強度のピーク位置に相当する干渉光周波数を、平面12の表面までの計測距離62とする。この計測距離62に距離変換比率82を掛けた値(補正計測距離)は、測定基準点83を始点とする方向ベクトル84方向の線分(計測線分81)上での平面12までの距離に相当する。
In the
計測線分81と距離変換比率82は、幾何学的校正のパラメータとして校正パラメータメモリ150に保存されている。
前記のように光走査部231によりI×J本の計測線分81が存在するので、1回の計測で、I×J個の計測距離群が得られる。したがってこの計測は、I×J個の測定基準点83で構成される曲面(基準曲面290)と、平面12の間の距離をI×J個のサンプリング点(すなわち測定基準点83)で計測していることに相当する。この基準曲面290と平面12間の距離計測を、平面移動部15を使って平面12を異なる位置に移動してK回繰返すと、I×J×K個の計測距離62の群が得られ、これが計測データメモリ2(131)に保存される。
The
Since there are I × J
この計測距離62の群の取得と同時に、カメラ部237は各位置での平面12の2次元画像を撮影し、計測データメモリ1(130)へ保存する。カメラ部237における3次元から2次元への投影動作はカメラパラメータ71により記述されるが、このカメラパラメータ71も平面情報メモリ140に保存されている。
Simultaneously with the acquisition of the group of the
平面同定部400と校正処理部500は、プローブ先端が校正用ヘッド236から計測用ヘッド235に取り替えられたことを検出した制御部110によって活性化される。
The
平面同定部400は平面12の各位置を表す平面方程式72を同定する。この同定は、
平面情報メモリ140に保存されている平面方程式72の群を更新することで実現される。すなわち、平面同定部400は計測データメモリ1(130)内の平面の2次元画像61の群、平面情報メモリ140内のカメラパラメータ71および平面方程式72を入力として、更新された平面方程式72を出力し、これを平面情報メモリ140に保存する。平面同定処理アルゴリズムの詳細は後述する。
The
This is realized by updating the group of
校正処理部500は、平面同定部400による平面方程式72の群の更新が完了すると起動される。校正処理部500は、計測データメモリ2(131)内の計測距離62の群、平面情報メモリ140内の平面方程式72の群、校正パラメータメモリ内の距離変換比率82および計測線分81を入力とし、更新された平面方程式72の群、更新された距離変換比率82および更新された計測線分81を出力する。校正処理部500は、平面方程式72の群の同定がまだ収束していないと判断すると、平面同定部400を再度起動する。校正処理アルゴリズムの詳細は後述する。
The
OCT−ODS装置100に実装されている3次元計測方法10を図7により説明する。
A three-
3次元計測方法10は、前記計測モードで実行される計測処理20と、前記校正モードで実行されるデータ取得処理30、平面同定処理40および校正処理50からなる。また、3次元計測方法10で処理するデータとしては、測定対象の計測距離23、計測データ60、平面情報70および校正パラメータ80があるが、これらは各々、OCT−ODS装置100の計測データメモリ1(130)、計測データメモリ2(131)、平面情報メモリ140および校正パラメータメモリ150に相当する。
The three-
計測処理20は、従来技術において図2を用いて説明した。そこで、ここではOCT−ODS装置との対応についてのみ述べる。距離計測ステップ21で生成される計測距離23は、OCT−ODS装置100の界面検出280で生成される計測距離62の群に相当する(図5および図6参照)。また、3次元座標算出ステップ22は、OCT−ODS装置100の3次元座標算出301に相当する(図5参照)。
The
校正モードになると、データ取得処理30が実行される。
When the calibration mode is entered, a
データ取得処理30では、まず平面を移動する(ステップ31)。OCT−ODS装置100では、ユーザが平面12を回すことにより移動させる(図5参照)。
In the
データ取得処理30では、次に平面上の特徴点の2次元画像を生成する(ステップ32)。図6に示すようにOCT−ODS装置100では平面12上に円マークがあり、この中心を特徴点46とする。カメラ部237で平面の2次元画像61を撮り、その2次元画像61において円マークの中心座標を求めることが、特徴点の2次元画像61を生成することに相当する。
In the
データ取得処理30では、次に平面への距離を測定する(ステップ33)。OCT−ODS装置では図6で説明したように、界面検出280で出力される、基準曲面290と平面12間の距離計測がこのステップの出力に相当する。
In the
データ取得処理30では、ステップ31からステップ33を必要な回数(本実施例ではK回)実施し、平面12の複数の異なる位置での計測データ60を取得する。Kとしては、7個の未知変数をもつ校正パラメータ80を同定するために、最低でも7以上であり、計測誤差を考慮すると20回以上が望ましい。
In the
必要な数の計測データ60を取得し終えると、ユーザはプローブ先端を校正用ヘッド236から計測用ヘッド235に取り替えるが、これを契機に平面同定処理40の実行が開始する。平面同定処理40は、OCT−ODS装置100の平面同定部400で実装されている。
When the necessary number of
平面同定処理40は、まず、カメラパラメータ71および平面方程式72を入力に基づいて平面上の特徴点の推定画像44を生成する(ステップ41)。次に、特徴点の2次元画像61と推定画像44の間の差分情報45に基づいて、カメラパラメータ71と平面方程式72を更新する(ステップ42)。最後に、カメラパラメータ71および平面方程式72の収束状態等に基づいて、平面同定処理を終了すべきか判断する。終了すべきでない場合は、ステップ41を再度実行し、終了すべき場合は校正処理50の実行を開始する。
The
平面同定処理の詳細を図8により説明する。 Details of the plane identification process will be described with reference to FIG.
図8は、平面12を複数の位置(一番目の平面位置、・・・、k番目の平面位置、・・・)に移動させながら、その像をカメラ部237により画像平面47に投影している状態を表す。
FIG. 8 shows an image projected onto the
各平面位置に対して、平面12上の2次元座標系のx軸方向、y軸方向をx軸、y軸とし、平面12の法線ベクトル方向をz軸とする対象座標系16を導入する。同一の特徴点46に対する3次元座標は、どの平面位置であろうと対象座標系では同じ値(すなわち、特徴点46の2次元座標をZ=0で3次元に拡張したもの)となる。対象座標系16から3次元座標系14への座標変換は、回転行列77と並進ベクトル78で記述される。したがって、平面上の特徴点群の2次元座標が全て既知ならば、特徴点が何点あろうとも、それら全ての3次元座標系14における座標は回転行列77と並進ベクトル78のみで決まる。
For each plane position, an object coordinate
カメラ部237による投影はカメラパラメータ71でモデル化される。(式5)に示すように、中心投影を表す内部パラメータ行列73、レンズ歪みを記述する歪み係数ベクトル74、前記回転行列77および前記並進ベクトル78をパラメータとし、特徴点46を画像平面47へ投影した場合の推定画像44を算出することができる。
Projection by the
パラメータ(カメラパラメータ71、回転行列77または並進ベクトル78)が正しくなければ、算出された推定像44は実際に観測される像61と差分45を生じる。そこで差分45のノルム2乗和をコスト関数(式6)として、この関数値を最小化するパラメータ値を非線形最適化手法により同定する。
If the parameters (
図8では、特徴点の推定画像を生成するステップ41として、非特許文献2で記載されているカメラパラメータ校正方法に基づいた方法を用いたが、他にも特徴点の画像を推定する方法はあり、ここではその一例について述べたに過ぎない。
In FIG. 8, a method based on the camera parameter calibration method described in Non-Patent Document 2 is used as
図7の説明に戻る。 Returning to the description of FIG.
平面同定処理40が完了すると、校正処理50が開始される。校正処理50は、OCT−ODS装置100の校正処理部500で実装されている。
When the
校正処理50は、まず、平面方程式72、計測線分式81および計測距離変換比率83に基づいて平面への距離の推定値55を生成する(ステップ51)。次に、平面への距離の計測値62と推定値55の間の差分情報56に基づいて、平面方程式72、計測線分81および計測距離変換比率83を更新する(ステップ52)。次に、平面方程式72、計測線分81および計測距離変換比率83の収束状態等に基づいて、校正処理を終了すべきか判断する(ステップ53)。終了すべきでない場合は、ステップ51を再度実行する。終了すべき場合は、平面方程式72の収束状態等に基づいて、平面同定処理を再実行すべきか判断する(ステップ54)。再実行すべき場合は平面同定処理40を再度実行する。再実行すべきでない場合は、校正処理を終了する。
The
図7ではステップ52で平面方程式72も更新し、ステップ54でその結果を平面同定処理40にフィードバックすることで平面同定処理40と校正処理50を反復実行したが、平面同定処理40で平面方程式72の精度が確保できる場合はこれらの処理を省くことができる。すなわち、校正処理50では、ステップ52で線分式82と変換比率82のみ更新し、ステップ54を削除することができる。
In FIG. 7, the
校正処理50の詳細を図9により説明する。
Details of the
図9は、K個の位置にある平面12への、計測線分81上での距離62を計測している状況を表す。
FIG. 9 illustrates a situation in which the
位置が平面方程式72で表された平面12への距離は、計測線分式81と平面方程式72の交点66への距離として(式8)により推定値55を算出できる。(式8)の導出は非特許文献4を参照のこと。
The distance to the
パラメータ(平面方程式72、計測線分式81および計測距離変換比率83)が正しくなければ、算出された推定距離55は実際に計測される距離62と差分56を生じる。そこで差分56の2乗和をコスト関数(式9)として、この関数値を最小化するパラメータ値を非線形最適化手法により同定する。
If the parameters (the
平行な位置にある平面12への距離を計測しても、その計測線分に対する拘束は増えない。このため、(式9)でのパラメータ更新は、平面12のK個の位置が全て平行である場合は失敗する。そこで、実施の形態1では、図5に示すように平面12を校正用ヘッド236に傾いた角度で取り付け、回転によりこの傾き角度が変わるようにしてある。
Even if the distance to the
以上のように、実施の形態1においては、校正時に必要な位置情報が平面12の平面方程式72のみであるので、従来の測定点の3次元座標64に基づく校正法よりも簡略な機構で校正できる。図3に示すように、平面方程式72の同定は、平面上の1点63の座標64を同定する場合に比べて、精度が向上する。すなわち、1点1点の計測にランダム誤差65が存在する場合でも、複数の点をフィッティングすることで同定される平面方程式72では、各点のランダム誤差が相殺され誤差79が減少する。このため実施の形態1では、校正精度を低下させることなく、校正を実現するための機構が従来に比べて簡易化されている。すなわち、通常の計測処理20時にプレビュー画面描画303のために使用されるカメラ部237で、表面に特徴点46を有する平面12の2次元画像群61を撮影するのみで平面方程式72の同定が実現でき、校正のための機構を追加する必要がない。
As described above, in the first embodiment, since the positional information necessary for calibration is only the
また、実施の形態1では、ユーザがプローブ230のヘッドに校正用ヘッド236を装備し、そこに平面移動部150を介して取り付けられている平面12を回す(この回転では回転角度の精度は求められない)ことで校正のための計測データ60が取得できるので、従来のようにZステージ15aのZ位置を正確に設定する必要がある方法と比べて、校正のためのユーザ操作が簡単である。
In the first embodiment, the user equips the head of the
(実施の形態2)
図10は、本発明の第2の実施の形態における3次元計測装置を示す。実施の形態1では平面方程式72を3次元計測装置(OCT−ODS装置100)内の平面同定部400で同定したが、実施の形態2では3次元計測装置100aの外部に設けた平面同定装置400aが同定する。平面同定装置400aとしては、校正済みの3次元計測装置に計測された3次元点群からそれにフィットする平面方程式を同定する機能を付加した装置でも、あるいは、実施の形態1のカメラ部237と平面同定部400をもつ装置でもよい。
(Embodiment 2)
FIG. 10 shows a three-dimensional measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the
平面同定装置400aは平面群12(複数の平面であっても、実施の形態1と同様に1つ平面を異なる位置に移動させたものであってもよい)を観測し、対応する平面方程式群72を出力する。3次元計測装置100aは同じ平面群12について計測距離群62を計測し、これと平面同定装置400aからの平面方程式群72に基づいて校正パラメータ80を更新する。
The
図1は、3次元計測装置100aで実装されている3次元計測方法10を表している。
FIG. 1 shows a three-
実施の形態1(図7)との差分について説明する。 Differences from the first embodiment (FIG. 7) will be described.
データ取得処理30では、実施の形態1で取得していた特徴点の2次元画像61は必要なく、平面群12に対する計測距離群62のみを取得する。
In the
平面方程式群72は入力として外部から与えられるので、実施の形態1の平面同定処理40は不要となる。
Since the
校正処理50のステップ52bでは線分式81と変換比率82のみを更新し、実施の形態1のステップ52で更新していた平面方程式72は変更しない。これに伴い、実施の形態1のステップ54(平面同定処理を再実行すべきか判断する)は不要となる。
In
したがって、実施の形態2の3次元計測方法10は以下の手順である。
Therefore, the three-
校正処理が起動されると、計測線分上での平面群への距離62を計測し(ステップ33a)、校正処理50の実行に移行する。
When the calibration process is activated, the
校正処理50は、計測線分式81、計測距離変換比率82および、与えられた平面方程式72に基づいて平面への距離の推定値55を生成する(ステップ51)。次に、平面への距離の計測値62と推定値55の間の差分情報56に基づいて、計測線分81および計測距離変換比率83を更新する(ステップ52b)。最後に、計測線分81および計測距離変換比率83の収束状態等に基づいて、校正処理を終了すべきか判断する(ステップ53)。終了すべきでない場合は、ステップ51を再度実行する。終了すべき場合は校正処理を終了する。
The
以上のように、実施の形態2においては、3次元計測装置100aは校正時に必要な位置情報が平面12の平面方程式72のみであるので、従来の測定点の3次元座標64に基づく校正法よりも簡略な機構で校正できる。
As described above, in the second embodiment, since the three-
実施の形態2において校正時に必要となる機構は平面同定装置400aであるが、従来例ではこの代わりに点の位置を計測する3次元計測装置が必要となる。前記のように、この点座標値64が校正精度に直接影響するので、それを計測する3次元計測装置は校正対象の3次元計測装置100aよりも高い計測精度が必要となる。
In the second embodiment, the mechanism necessary for calibration is the
これに対して、図3で説明したように位置を平面方程式72として計測する平面同定装置400aは、個々の点座標の計測精度よりも高い精度で平面を同定できるので、平面同定装置400aとして簡略な3次元計測装置を使用することが可能となる。例えば、実施の形態1で説明したカメラ部237と平面同定部400だけからなる装置でもよい。
On the other hand, the
本発明にかかる3次元計測方法および3次元計測装置は、校正のための機構およびユーザ操作が簡略化されるので、3次元ハンドスキャナや小型3次元計測装置などへの適用が有用である。 The three-dimensional measurement method and the three-dimensional measurement apparatus according to the present invention are useful for application to a three-dimensional hand scanner, a small three-dimensional measurement apparatus, and the like because the mechanism for calibration and the user operation are simplified.
10 3次元計測方法
10a 3次元計測方法
11 歯
12 平面
12a 撮像素子
13 3次元座標
14 3次元座標系
14a 従来技術における3次元座標系
15 平面移動部
15a Zステージ
16 対象座標系
17 測定光
18 参照光
19 干渉光
20 計測処理
21 距離計測ステップ
22 3次元座標算出ステップ
23 計測距離
30 データ取得処理
30a 従来技術におけるデータ取得処理
31 平面を移動するステップ
31a 平面をZ方向に移動するステップ
32 カメラにより平面上の特徴点の2次元画像を生成するステップ
32a 画素位置とZステージ位置より、測定点の3次元座標を同定するステップ
33 計測線分上での平面までの距離を計測するステップ
33a 計測線分上での平面群までの距離を計測するステップ
40 平面同定処理
41 平面上の特徴点の推定画像を生成するステップ
42 カメラパラメータと平面方程式を更新するステップ
43 平面同定処理を終了すべきか判断するステップ
44 推定画像
45 差分情報
46 特徴点
47 画像平面
48 可視光
50、50a 校正処理
51 計測線分上での平面への距離の推定値を算出するステップ
51a 距離変換比率を同定するステップ
52 線分式、変換比率、平面方程式を更新するステップ
52a 計測線分式を同定するステップ
52b 線分式、変換比率を更新するステップ
53 校正処理を終了すべきか判断するステップ
54 平面同定処理を再実行すべきか判断するステップ
55 推定距離
56 差分情報
60 計測データ
60a 従来技術における計測データ
61 2次元画像
62 計測距離
63 測定点
64 3次元計測座標
65 点の計測誤差
66 平面と計測線分の交点
70 平面情報
71 カメラパラメータ
72 平面方程式
73 内部パラメータ行列
74 歪み係数ベクトル
75 平面の法線ベクトル
76 原点と平面の距離
77 回転行列
78 並進ベクトル
79 平面の計測誤差
80 校正パラメータ
81 計測線分
82 距離変換比率
83 測定基準点
84 方向ベクトル
100 OCT−ODS装置
100a 3次元計測装置
110 制御部
120 制御バス
130 計測データメモリ1
131 計測データメモリ2
140 平面情報メモリ
150 校正パラメータメモリ
160 スイッチ
170 計測距離の出力スイッチ
200 距離計測部
210 波長掃引光源
220 ビームスプリッタ
230 プローブ
231 光走査部
232 Bスキャンミラー
233 Cスキャンミラー
234 レンズ
235 計測用ヘッド
236 校正用ヘッド
237 カメラ部
238 ヘッドセンサ
239 計測スイッチ
240 参照ミラー
250 干渉部
260 受光部
270 信号処理部
280 界面検出
290 基準曲面
291 Bスキャン方向
292 Cスキャン方向
300 座標計測部
301 3次元座標算出
302 点群描画
303 プレビュー画面描画
304 表示部
400 平面同定部
400a 平面同定装置
500 校正処理部
600 断層画像
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 3D measuring method 10a 3D measuring method 11 Tooth 12 Plane 12a Image pick-up element 13 3D coordinate 14 3D coordinate system 14a 3D coordinate system in a prior art 15 Plane moving part 15a Z stage 16 Target coordinate system 17 Measurement light 18 reference Light 19 Interference light 20 Measurement processing 21 Distance measurement step 22 Three-dimensional coordinate calculation step 23 Measurement distance 30 Data acquisition processing 30a Data acquisition processing in the prior art 31 Step of moving the plane 31a Step of moving the plane in the Z direction 32 Plane by the camera Step of generating a two-dimensional image of the upper feature point 32a Step of identifying the three-dimensional coordinates of the measurement point from the pixel position and the Z stage position 33 Step of measuring the distance to the plane on the measurement line segment 33a Measurement line segment Measuring the distance to the plane group above 40 Surface identification process 41 Step of generating an estimated image of a feature point on a plane 42 Step of updating camera parameters and plane equations 43 Step of determining whether or not to end the plane identification process 44 Estimated image 45 Difference information 46 Feature point 47 Image plane 48 Visible light 50, 50a Calibration processing 51 Step for calculating an estimated value of the distance to the plane on the measurement line segment 51a Step for identifying the distance conversion ratio 52 Step for updating the line segment formula, conversion ratio, and plane equation 52a Measurement line Step 52b for recognizing a division formula Step 53 for updating a line segment formula and conversion ratio 53 Step for judging whether calibration processing should be terminated 54 Step for judging whether plane identification processing should be re-executed 55 Estimated distance 56 Difference information 60 Measurement data 60a Conventional Measurement data in technology 61 Two-dimensional image 62 Measurement distance 63 Fixed point 64 Three-dimensional measurement coordinates 65 Measurement error 66 Intersection of plane and measurement line segment 70 Plane information 71 Camera parameter 72 Plane equation 73 Internal parameter matrix 74 Distortion coefficient vector 75 Plane normal vector 76 Origin and plane distance 77 Rotation Matrix 78 Translation vector 79 Plane measurement error 80 Calibration parameter 81 Measurement line segment 82 Distance conversion ratio 83 Measurement reference point 84 Direction vector 100 OCT-ODS device 100a Three-dimensional measurement device 110 Control unit 120 Control bus 130 Measurement data memory 1
131 Measurement data memory 2
140
Claims (6)
所定の3次元座標系における前記計測線分を表す線分式と、前記3次元座標系における計測距離の変換比率を用いて、前記距離から測定対象の三次元座標を算出するステップを有する3次元計測方法であって、
位置が平面方程式として表された、複数の平面までの、前記計測線分上での第1の距離を計測する第1のステップと、
前記平面方程式、前記線分式および前記換比率を用いて、前記第1の距離に対する推定値を算出する第2のステップと、
前記第1の距離と前記推定値の差分情報に基づいて、前記線分式と前記変換比率を更新する第3のステップと、
前記線分式と前記変換比率の更新を終了すべきか判断する第4のステップを有し、
前記第4のステップで終了と判断されるまで前記第2のステップ、前記第3のステップおよび前記第4のステップを繰返す3次元計測方法。 Measuring the distance to the measurement object on the measurement line segment starting from the measurement reference point;
A step of calculating three-dimensional coordinates of a measurement target from the distance using a line segment expression representing the measurement line segment in a predetermined three-dimensional coordinate system and a conversion ratio of the measurement distance in the three-dimensional coordinate system. Measuring method,
A first step of measuring a first distance on the measurement line segment to a plurality of planes, the position of which is expressed as a plane equation;
A second step of calculating an estimate for the first distance using the plane equation, the line segment formula and the conversion ratio;
A third step of updating the line segment formula and the conversion ratio based on difference information between the first distance and the estimated value;
A fourth step of determining whether to update the line segment formula and the conversion ratio;
A three-dimensional measurement method in which the second step, the third step, and the fourth step are repeated until it is determined to end in the fourth step.
前記平面をその傾きを変えながら移動する第5のステップと、
カメラにより前記平面上の特徴点の2次元画像を生成する第6のステップと、
前記第1の距離を計測する第7のステップと、
前記カメラのカメラパラメータと前記平面方程式に基づいて前記2次元画像の推定画像を生成する第8のステップと、
前記2次元画像と前記推定画像の差分情報に基づいて前記カメラパラメータと前記平面方程式を更新する第9のステップと
前記カメラパラメータと前記平面方程式の更新を終了すべきか判断する第10のステップとからなり、
前記第10のステップで終了と判断されるまで前記第8のステップ、前記第9のステップおよび前記第10のステップを繰返す請求項1に記載の3次元計測方法。 The first step includes
A fifth step of moving the plane while changing its inclination;
A sixth step of generating a two-dimensional image of the feature points on the plane by a camera;
A seventh step of measuring the first distance;
An eighth step of generating an estimated image of the two-dimensional image based on the camera parameters of the camera and the plane equation;
From the ninth step of updating the camera parameter and the plane equation based on the difference information between the two-dimensional image and the estimated image, and the tenth step of determining whether the updating of the camera parameter and the plane equation should be finished. Become
The three-dimensional measurement method according to claim 1, wherein the eighth step, the ninth step, and the tenth step are repeated until it is determined in the tenth step that the process is ended.
前記第4のステップで終了と判断された場合に実行される、前記カメラパラメータと前記平面方程式を再度更新するか判断する第11のステップを有し、
前記第11のステップで更新が必要と判断された場合は、前記第8のステップ以下を再実行する請求項2に記載の3次元計測方法。 Updating the plane equation in the third step;
An eleventh step for determining whether to update the camera parameter and the plane equation again, which is executed when it is determined to end in the fourth step;
3. The three-dimensional measurement method according to claim 2, wherein when it is determined in the eleventh step that updating is necessary, the eighth step and subsequent steps are re-executed.
所定の3次元座標系における前記計測線分を表す線分式と、前記3次元座標系における計測距離の変換比率を用いて、前記距離から測定対象の三次元座標を算出する座標算出部を有する3次元計測装置であって、
位置が平面方程式として表された、複数の平面までの、前記計測線分上での第1の距離を計測する平面距離計測部と、
前記平面方程式、前記線分式および前記換比率を用いて、前記第1の距離に対する推定値を算出する距離推定部と、
前記第1の距離と前記推定値の差分情報に基づいて、前記線分式と前記変換比率を更新するパラメータ更新部と、
前記線分式と前記変換比率の更新を終了すべきか判断する校正終了判定部を有し、
前記校正終了判定部で終了と判断されるまで前記距離推定部、前記パラメータ更新部および前記校正終了判定部での処理を繰返す3次元計測装置。 A measurement unit that measures the distance to the measurement target on the measurement line segment starting from the measurement reference point;
Using a line segment expression representing the measurement line segment in a predetermined three-dimensional coordinate system and a conversion ratio of the measurement distance in the three-dimensional coordinate system, a coordinate calculation unit that calculates the three-dimensional coordinates of the measurement target from the distance A three-dimensional measuring device,
A plane distance measuring unit that measures a first distance on the measurement line segment to a plurality of planes, the positions of which are expressed as a plane equation;
A distance estimation unit that calculates an estimated value for the first distance using the plane equation, the line segment formula, and the conversion ratio;
A parameter updating unit that updates the line segment formula and the conversion ratio based on the difference information between the first distance and the estimated value;
A calibration end determination unit for determining whether to update the line segment formula and the conversion ratio;
A three-dimensional measurement apparatus that repeats the processing in the distance estimation unit, the parameter update unit, and the calibration end determination unit until the end of calibration is determined to be ended.
前記平面をその傾きを変えながら移動する平面移動部と、
カメラにより前記平面上の特徴点の2次元画像を生成する撮影部と、
前記第1の距離を計測する距離計測部と、
前記カメラのカメラパラメータと前記平面方程式に基づいて前記2次元画像の推定画像を生成する画像推定部と、
前記2次元画像と前記推定画像の差分情報に基づいて前記カメラパラメータと前記平面方程式を更新する平面更新部と
前記カメラパラメータと前記平面方程式の更新を終了すべきか判断する平面同定終了判定部とからなり、
前記平面同定終了判定部で終了と判断されるまで前記画像推定部、前記平面更新部および前記平面同定終了判定部での処理を繰返す請求項4に記載の3次元計測装置。 The plane distance measuring unit is
A plane moving unit that moves the plane while changing its inclination;
An imaging unit for generating a two-dimensional image of the feature points on the plane by a camera;
A distance measuring unit for measuring the first distance;
An image estimation unit that generates an estimated image of the two-dimensional image based on the camera parameters of the camera and the plane equation;
From a plane update unit that updates the camera parameter and the plane equation based on difference information between the two-dimensional image and the estimated image, and a plane identification end determination unit that determines whether to update the camera parameter and the plane equation Become
The three-dimensional measurement apparatus according to claim 4, wherein the processes in the image estimation unit, the plane update unit, and the plane identification end determination unit are repeated until it is determined as end by the plane identification end determination unit.
前記校正終了判定部で終了と判断された場合に処理が開始される、前記カメラパラメータと前記平面方程式を再度更新するか判断する平面再同定判定部を有し、
前記面再同定判定部で更新が必要と判断された場合は、前記画像推定部以下の処理部を再実行する請求項5に記載の3次元計測装置。 Update the plane equation in the parameter update unit,
A process is started when it is determined that the calibration end determination unit ends, and a plane re-identification determination unit that determines whether to update the camera parameter and the plane equation again,
The three-dimensional measurement apparatus according to claim 5, wherein when the surface re-identification determination unit determines that updating is necessary, the processing unit subsequent to the image estimation unit is re-executed.
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